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H O R M IG O N 35/00 PETROGRAFIA DEL HORMIGON ENDURECIDO: ESTUDIO DE UN PAVIMENTO CON PATOLOGÍAS P. J MAIZA’ y S. A. MARFIL" Universidad Nacional del Sur. San Juan 670. 8000 Bahía Blanca. TE:0291-4595184. FAX: 0291-4595148. e-mail:smarfil@criba.edu.ar. RESUMEN Se estudiaron, con microscopio de polarización, testigos de hormigón provenien tes de un pavimento que presentaba evidencias de deterioro. El objetivo fue de terminar la Datología que afectó a la obra y las causas que la provocaron. Para ello se estudiaron los materiales que integran el hormigón. Las especies deleté reas presentes son esquistos argilizados, cuarcitas de grano fino y vulcanitas al teradas. El mortero se presenta fuertemente fisurado, la textura ha sido totalmen te obliterada. Son abundantes los bordes de reacción en los contactos clasto - ce mento. Se identificó ceolita como material de neoformación en el interior de cavi dades y rellenando microfisuras. Este material fue confirmado por difractometría de rayos X y SEM - EDAX. Por las características texturales observadas y los materiales de neoformación, se concluyó que el deterioro se debió al desarrollo de la reacción álcali - sílice. Introducción El conocimiento detallado de la mineralogía y petrografía de los agregados finos y gruesos que se utilizarán en la elaboración del hormigón de cemento portland es de importancia en la vida útil de la obra a realizar. La identificación de los com ponentes mineralógicos, especialmente los deletéreos frente a la reacción álcali - sílice, presencia de minerales metaestables y productos de alteración, darán pau tas sobre los recaudos que se deberán tomar al momento de elaborar el hormigón y en última instancia aprobar o desechar el material analizado (1, 2). Por otra parte, el estudio petrográfico del hormigón endurecido, desde el análi sis de la muestra de mano con estereomicroscopio hasta el examen sobre seccio nes delgadas, permite determinar a los constituyentes del agregado, estado del mortero, presencia de microfisuras, grado de deterioro, productos de neoforma- ■*) Profesor Dpto. de Geología. Investigador Independiente CONICET. (’ *) Investigador Adjunto CIC. Página 11 brought to you by COREView metadata, citation and similar papers at core.ac.uk provided by Centro de Servicios en Gestión de Información https://core.ac.uk/display/153564794?utm_source=pdf&utm_medium=banner&utm_campaign=pdf-decoration-v1 mailto:smarfil@criba.edu.ar Petrografía del hormigón endurecido ... cíón, fenómenos de borde entre los agregados y estado de la pasta. Estos estu dios se complementan con otras técnicas tales como difractometría de rayos X, microscopía electrónica de barrido y EDAX (3, 4). En el estudio de hormigones que presentan patologías atribuidas a la reacción álcali - sílice es de vital impor tancia el muestreo en obra a fin de estudiar las variaciones desde la superficie al interior, cerca y lejos de las juntas de dilatación, proximidades del suelo, caracte rísticas químicas del sustrato y del agua, etc. Objetivos El propósito del presente trabajo es estudiar las causas del deterioro de un pa vimento de hormigón, liberado al tránsito hace 14 años, ubicado al norte de la Prov. de Buenos Aires. Los primeros indicios de reacción se manifestaron hace aproximadamente 10 años, como microfisuramiento, estrechamiento de las juntas y abovedamientos puntuales, sin ningún tipo de ubicación preferencial. Para de terminar las causas de las patologías, se realizó un estudio petrográfico de los agregados que lo componen a fin de identificar especies deletéreas responsables de la degradación. Se estudió el estado de la pasta y la presencia de materiales de neoformación para determinar la patología que afecta a la obra de arte estu diada. Metodología Se utilizó un sistema microscópico Olympus, con procesador de imágenes inte grado con un estereomicroscopio Olympus trinocular SZ-PT; microscopio petro gráfico Olympus trinocular B2-UMA, con una cámara de video Sony 151 A incor porada, monitor de alta resolución y procesador de imágenes Image Pro Plus ver sión 3.1. Microscopio electrónico de barrido JEOL JSM 35 CP equipado con una sonda EDAX, DX 4, de ventana ultradelgada, con un rango de análisis elemental desde Z — 5 (B) hasta Z = 92 (U) y un difractómetro de rayos X Rigaku, D-max III- C, con radiación de Cu Ka y monocromador, con 35 Kv y 15 mA, computarizado. 1. Estudio con estereomicroscopio: El examen cuidadoso del hormigón con es- tereomicroscopio permite definir las características del mortero, relación contacto agregado - cemento, presencia de microfisuras, estado de conservación de la pasta, desarrollo de productos de neoformación tales como calcita, portlandita, et- tringita, yeso, ceolitas, etc. Los productos de la reacción álcali - sílice (ceolitas) no son identificables con este método ya que constituyen materiales masivos sin desarrollo de cristales que puedan ser visibles con estereomicroscopio, debido a su Dequeño iamaño. Sin embargo esta metodología es de gran ayuda para sepa rar el material para su posterior análisis por otras técnicas tales como difractóme- tría de rayos X y SEM-EDAX. El carbonato de calcio puede presentarse tanto en forma masiva como desarrollando cristales característicos. Con respecto a los agréganos es posible visualizar grado y tipo de alteración, en especial determinar la existencia de fenómenos de borde, roñas de reacción, etc. Página 12 HORMIGON 35/00 Asociación Argentina de tecnología del Hormigón 2. Microscopía de polarización: El estudio de hormigón endurecido en seccio nes delgadas permite el análisis detallado de la composición petrográfico - mi neralógica de los agregados gruesos y finos que lo constituyen y la determi nación de las características de la pasta, presencia de fisuras, procesos de li xiviación o corrosión de las especies mineralógicas lábiles, cristalización de especies de neoformación y alteración de sus componentes. 2.a Identificación de los minerales y rocas que constituyen los agregados en el hormigón: Se determinan los componentes principales y accesorios del hormi gón y los que puedan provocar daño en el material objeto de estudio. En el ca so que se haya presentado alguna patología tal como puede ser el desarrollo de la reacción álcali - sílice permitirá concluir cuales fueron las especies res ponsables del deterioro. 2.b Microfisuramiento: Podrá definirse si las microfisuras se encuentran disper sas en la pasta o tienen continuidad y afectan también a los agregados. En el primer caso corresponden al fisuramiento propio del fraguado del hormigón, no constituyen evidencias del desarrollo de patologías, son generalmente muy finas y se encuentran vacías. En cambio si tienen continuidad, afectan a los clastos de los agregados, son en general más anchas que las anteriores y es tán rellenas por un material que puede ser isótropo y/o anisótropo, se asume que el hormigón presenta signos de deterioro. 2.c Contacto agregado - pasta: En hormigones sanos el contacto es neto, mien tras que si el hormigón presenta signos de deterioro se observan bordes de reacción, contactos de carie, en algunos casos los clastos se presentan sepa rados de la pasta, es frecuente observar los productos de reacción desarrolla dos en los bordes de los clastos. 2. d Estado de la pasta: En hormigones sanos la pasta se presenta homogénea, las cavidades de aire accidental se encuentran vacías, mientras que, en hormigones que presentan deterioro las cavidades de aire accidental se encuentran parcial o totalmente ceolitizadas y es común el desarrollo de ettringita secundaria. 3. Difractometría de rayos X: Es una técnica complementaria de gran ayuda en la identificación de los materiales cristalinos de neoformación. Estos son sepa rados en la primera etapa del estudio bajo estereomicroscopio para su análisis por este método. Permite definir con seguridad las especies cristalinas presen tes. En el caso de productosmasivos no identificados con estereomicroscopio, pueden ser claramente determinados por DRX, íai es el caso de calcita, portlan- dita, ettringita y ceolitas. Es condición imprescindible su estado cristalino. Esta técnica también resulta de utilidad en la identificación de arcillas en el agregado sobre todo arcillas expansivas del grupo de la montmorilloníta. Página 13 Petrografía del hormigón endurecido ... 4. Microscopía electrónica de barrido y EDAX: Los productos de neoformación separados con estereomicroscopio son observados con microscopio electróni co de barrido. Con esta técnica es posible observar la morfología de los mate riales y analizar su composición química con EDAX. Resultados Observaciones con estereomicroscopio Los testigos de hormigón fueron extraídos en los sectores más afectados y se seleccionaron seis para este estudio, en los que se destaca un macrofractura- miento intenso. Los clastos del agregado grueso, con excepción de las rocas gra níticas, desarrollan marcadas coronas de reacción con cristalización en la Darte in terna y externa de productos de neoformación, son abundantes los senos de co rrosión, zonas de disolución y algunos están afectados por microfisuramiento. Se observaron clastos, en especial del agregado grueso totalmente alterados lo que hace difícil su identificación. Algunos sectores de la pasta y el mortero se encuen tran deteriorados por los exudados blanquecinos cristalinos y fibrosos atribuidos a ceolitas y ettringita, las cavidades de aire entrampado están rellenas total o par cialmente por productos de neoformación. Estos materiales fueron separados pa ra su estudio por DRX y SEM - EDAX. Los productos de reacción se desarrollan principalmente en el contacto agregado grueso - mortero, aunque también es fre cuente observarlos relacionados al agregado fino. La figura 1, a) muestra clastos de esquistos (e) con sus bordes totalmente al terados tanto dentro de los clastos como en el mortero. En la pasta se observa abundante material de neoformación (n). 1.b) corresponde a un clasto de esquis to (e) relacionado a una microfisura (f) y ettringita (et) desarrollada en el interior de una cavidad de aire entrampado. En la figura 1 ,c) se muestra una masa cripto- cristalina de gel seco (g) que fluyó a través de una fractura originado en un clas- fo de esauisto. Este material se analizó por SEM-EDAX. 1 .d) es un detalle del pro ducto de neoformación que afecta al mortero. Se observan grietas de desecación desarrolladas como consecuencia de la deshidratación del gel. La figura 1.e) co rresponde a un clasto de vulcanita vitrea afectada por el proceso de reacción. 1 .f) es un detalle del borde de un clasto de agregado (ag) con corona de reacción y desarrollo de abundantes productos de neoformación (n) que afectan al hormigón. Estudio con microscopio de polarización sobre secciones delgadas El agregado grueso está constituido en forma predominante por esquistos (micá ceos y cloríticos), (36 %), rocas graníticas (25 %) y cuarcitas (30 %). En estas úl timas, el cuarzo es de grano fino y presenta extinción ondulante, el valor del án gulo de extinción ondulante promedio es de 129 con un desvío standard de 5.4. En forma subordinada se identificaron clastos de vulcanitas vitreas ácidas (9%). El vi- Página 14 HORMIGON 35/00 Asociación Argentina de tecnología del Hormigón Figura 1: Observaciones con Estereomicroscopio a. Ciastos de esquistos con sus bordes corroídos (e). En la pasta se observa abundante material de neoformacíón (n); b. Esquisto despegado del mortero (e) a través de una fisura (f). Cavidad de aire entrampado rellena ettringita (et) en un sector afectado por la reacción; c. Material predominantemente amorfo originado por la deshidratación del gel (g) produci do durante la reacción; d. Grietas de desecación desarrolladas como consecuencia de la deshidratación del gel. e. Vulcanita vitrea (vv) afectada por la reacción con claras evidencias de argilización progresiva dentro de un mortero muy alterado con abundante material de neoformación (n). f. Clasto del agregado (ag) afectado por la reacción. El material de neo- formación (n) invade progresivamente su masa y destruye la textura del mortero. Página I5 Petrografía del hormigón endurecido ... drio en general se presenta fresco aunque en algunos sectores ha sufrido inten sos procesos de alteración, principalmente desvitrificación generando importantes cantidades de minerales arcillosos. El agregado fino es una arena de composición litológica similar a la del agregado grueso a la que se le agregan clastos aislados de cuarzo, feldespato y mica. Los contactos de los esquistos con el mortero son difusos, afectados por proce sos ae degradación. Estos fenómenos son más evidentes en los clastos de me nor tamaño, en algunos casos llegan a desaparecer totalmente quedando el fan tasma del mismo. Se desarrolla un reemplazo total por una masa criptocristalina a amorfa en la que sólo se conservan pequeños clastos de cuarzo con extinción ondulante del clasto original. El mortero se presenta fuertemente ceolitlzado con abundantes óxidos e hidró- xidos de hierro. Se observaron marcados senos de corrosión en especial en los clastos de cuarzo con extinción ondulante. Las microfisuras afectan a la pasta y a algunos clastos del agregado, a veces alcanza dimensiones considerables. En ge neral se encuentran selladas y rellenas con un material anisótropo de baja birre- fringencia adjudicado a ceolita. Son abundantes las cavidades de aire entrampa do ceolitizadas. En la figura 2, a) se muestra una fractura ceolitizada donde los cristales de ceo lita (z) crecen perpendiculares a la microfisura. Se muestran además clastos de rocas graníticas, esquistos y cuarzo con extinción ondulante (qt). La figura 2.b muestra clastos del agregado grueso, rocas graníticas (g) y esquistos (e), separa dos del mortero por una microfisura ceolitizada (mz). En la parte inferior se obser va una cavidad de aire accidental colmatada por ceolita (z) y un clasto de esquis to (e) de grano fino con un sector donde la textura granular ha sido afectada. To- oos los clastos del agregado grueso muestran evidencias de corrosión y el agre gado fino se presenta enmascarado dentro del mortero sin posibilidad de identifi cación. En la figura 2.c se observa un clasto de esquisto (e) con borde de reac ción a partir del cual se desarrolla una zona ceolitizada (z) y una microfisura (f) que afecta al mortero. Además se muestran clastos de cuarzo tensionado, con extinción ondulante (qt) dentro de un mortero cuya textura ha sido obliterada. La figura 2.d corresponde a un clasto de cuarcita constituida por cuarzo de grano fi no con extinción ondulante (qo) con su borde exterior totalmente obliterado con marcados senos de corrosión, microfisuramiento y destrucción de la textura del mortero. 2.e muestra un clasto de metamorfita (e) fracturado, la fisura (f) afecta también a la pasta. La textura del mortero ha sido totalmente obliterada. En la fi gura 2.f se muestra una fisura (f) donde ha comenzado a cristalizar ceolita (z), (luz oaralela). Página 16 HORMIGON 35/00 Asociación Argentina de tecnología del Hormigón Figura 2: Fotomicrografías con Microscopio de polarización a. Fractura rellena por cristales tabulares transversales de zeolita (z); b. Microfisura ceolitizada ¡mz) y cavidad de aire accidental ceolitizada (z) en un mortero con la textura original obliterada. Los clastos del agregado grueso están muy alterados; c. Clasto de esquisto (e) con su contorno ceolitizado (z) y una interfase amorfa. Las microfisuras (f) están colmadas por ceolitas y el mortero presenta una textura afectada por la reacción. Es abundante el cuarzo tensionado (qt). d. Clastos de cuarcita con extinción ondulante (qo), correspondientes al tensionamiento origi nal con importantes evidencias de reacción, contactos de carie, bordes reaccionados y destrucción del mortero, e. La microfisura (f) afectaa un esquisto (e), al mortero y a los ciastos del agregado fino simultáneamente. Se halla colmada por material amorfo (ma). f. El material amorfo (ma) que rellena la microfisura (f) cristaliza en forma localizada como zeolita (z). El agre gado grueso está constituido principalmente por esquistos (e) y rocas graníticas (g). Página 17 Petrografía del hormigón endurecido ... Difractometría de rayos X El material de neoformación desarrollado en los bordes de los clastos, sobre su superficie y en el mortero fue analizado por DRX. Se determinó la presencia de ceolita K-l. (Su espectro es semejante al mencionado en la ficha ICDD 18-988) y ettringita con cantidades subordinadas de portlandita y calcita. El resto de ¡as re flexiones observadas corresponde a cuarzo y feldespato del agregado. Es abun dante el material amorfo. Se analizó además el producto de alteración de algunos clastos de esquistos identificándose las reflexiones correspondientes a arcilla del tipo montmorillonita (expansivas y lábiles). Microscopía electrónica de barrido - EDAX Se estudiaron los productos desarrollados en el interior de cavidades formadas por aire accidental, sobre la superficie del hormigón y el desarrollado en los con tactos agregado - mortero. En la figura 3.a (x 780), se muestra un material cristalino acicular, desarrollado en ei interior de cavidades de aire accidental y sobre la superficie del hormigón. 3.b corresponde al espectro EDAX de la zona indicada en 3.a. Se identificó S, Al, Ca y O adjudicado a ettringita. Se analizó un clasto reactivo con desarrollo de coronas de reacción y un mate rial blanco, de aspecto esponjoso en el interior del clasto. Este último se muestra en la figura 3.c (x 1200), el producto blanco que se observa en la fisura (detalle en la parte superior de la fotomicrografía (x3000)), fue analizado por EDAX, se iden tificó Si, O, Ca y Al adjudicado a ceolita. El material desarrollado en la corona de reacción se muestra en la figura 3d. fx 1500), se trata de un gel con grietas de desecación, sobre el que se han desa rrollado cristales cuyo detalle se muestra en la figura 3.e (x4000). El espectro EDAX (figura 3.f), permitió identificar Si, Al, O, Na, Ca y K, adjudicado a ceolita. Consideraciones • En el hormigón estudiado el cuarzo tensionado se presenta tanto en el agregado fi no como en el grueso constituyendo principalmente rocas metamórficas (cuarcitas), e incluso rocas graníticas que han sufrido procesos de deformación. Es ampliamente mencionado en la bibliografía que el cuarzo tensionado, microcristalino y de grano fi no es considerado potencialmente reactivos frente a la RAS. Su velocidad de reacción es muy lenta por lo que en general no es detectado en los métodos de ensayo con vencionales, generalmente deben seguirse los ensayos más tiempo que el estableci do en las normas. Con el método de ensayo químico la cantidad de sílice disuelta de- rerminada es baja. De allí la importancia de la identificación de estos materiales con microscopio de polarización ya que permite alertar sobre su potencial reactividad. Página 18 HORMIGON 35/00 Asociación Argentina de tecnología del Hormigón Figura 3: Microscopía Electrónica de Barrido - EDAX a. Ettringita (e) cristalizada en el interior de cavidades de aire entrampado; b. EDAX del sector indicado en 3.a; c. Producto de reacción desarrollado en el interior de un clasto reactivo; d. Corona de reacción en el contacto agregado-mortero. Se observa un gel (g) con grietas de desecación, sobre el que se ha cristalizado un material cuyo detalle se muestra en la figura e. Analizado por EDAX se identificó Si, Al, Ca, Na y K adjudicado a ceolita (Figura 3 f)- Página 19 Petrografía del hormigón endurecido ... o El vidrio volcánico es un material altamente dañino en el hormigón, cuando está pre sente en contenidos superiores al 3 %, sometido a condiciones de elevada humedad y temperatura y utilizado con cementos de alto contenido de álcalis. En las muestras analizadas se presenta como vidrio fresco, en especial formando parte del agregado fino, y constituyendo la pasta de rocas volcánicas vitreas tanto en el agregado fino co mo en el grueso. En este último se presenta alterado principalmente a minerales arci llosos del grupo de la montmorillonita. • El examen petrográfico permite una clara identificación de estas especies. Cuando se realiza el estudio petrográfico de un agregado deben detallarse los minerales de al teración presentes. No debe hablarse genéricamente definiendo por ejemplo vulcani tas ya que éstas pueden contener o no vidrio volcánico y si lo tienen, puede estar fres co o alterado y su comportamiento es totalmente distinto. Conclusiones 1. Los agregados utilizados en la elaboración del hormigón estudiado contienen especies deletéreas. Estas son: vidrio volcánico fresco (2 %) y alterado a minera les arcillosos de grupo de la montmorillonita (4 %), y cuarzo tensionado (con ex tinción ondulante! (30 %). 2. Los testigos del pavimento estudiado muestran importantes signos de deterio ro rales como microflsuras desarrolladas en la pasta que afectan a los agregados, bordes de reacción, contactos de caries, productos de reacción en el interior de microfisuras. en cavidades de aire entrampado, en contactos agregado - mortero y ceolitización de la pasta. 3. Los productos de neoformación fueron identificados como ceolita K-l y ettringita. 4. Por las características expuestas en los puntos anteriores se concluye que el pavimento ha sido deteriorado como consecuencia del desarrollo de la reacción álcali-sílice. Esta se ha desarrollado por la presencia de vidrio volcánico y cuarzo tensionado en el agregado, alta disponibilidad de álcalis y condiciones del medio ambiente favorable para el desarrollo de la reacción tales como elevada humedad y temperatura. 5. A partir de la aparición de las primeras evidencias del desarrollo de la RAS, el proceso de deterioro se acelera notablemente como consecuencia del aumento de la Dorosidad y permeabilidad del hormigón, haciéndose muy efectiva la circu- ación del agua, su poder lixiviante y los procesos relacionados con ella. Página 20 HORMIGON 35/00 Asociación Argentina de tecnología del Hormigón Agradecimientos Los autores agradecen a la Comisión de Investigaciones Científicas de la Prov. de Bs. As. y a la Universidad Nacional del Sur por el apoyo brindado y al Sr. Ro dolfo C. Salomón por la compaginación de las fotomicrografías. Referencias S. A. Marfil y P. J, Maiza. "Los agregados gruesos utilizados en la zona de Ba hía Blanca (Prov. de Bs. As.), en relación con la reacción álcali agregado". Con greso. Internacional de Ingeniería Estructural y Tecnología del Hormigón. Cór doba. Memorias. I, 1-10. (1993). 2. P. J. Maiza y S. A. Marfil. Principales yacimientos de arena, canto rodado y pie dra partida, utilizados en la construcción en la zona de Bahía Blanca, Prov. de 3uenos Aires. Primer Seminario de Tecnología del Hormigón en la Vivienda del Mercosur. Memorias. Santa Fe. 253-264. (1997). 3. S. A. Marfil y P. J. Maiza. Zeolite crystallization in portland cement concrete due to alkali-aggregate reaction. Cement and Concrete Research. Vol. 23 Np 6. pp 1283-1288. USA. (1993). 4. P. J. Maiza; S. Marfil y C. Milanesi. Desarrollo de minerales de neoformación en un pavimento deteriorado por la reacción álcali-sílice. Boletín de la Sociedad Española de Mineralogía. Vol. 21-A. 136-137. (1998). Página 2I
